硕士论文-基于PSCAD的变速恒频双馈风力发电系统建模与仿真.docx

分类号 密级 U D C 编号 10486 武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文基于PSCAD的变速恒频双馈风力发电系统建模与仿真研 究 生 姓 名：李晓龙学 号：2010202070022指导教师姓名、职称： 学 科、专 业 名 称：电力系统及其自动化研 究 方 向：电力系统运行与控制二一二年五月Modeling and Simulation of Variable Speed Constant Frequency Doubly Fed Induction Generator Wind Power System Based on PSCADLi Xiao-longMay, 2012郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，否则，本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者（签名）：年 月 日摘要在常规能源日益枯竭和能源环境效益愈发凸显的今天，可再生清洁能源越来越受到人们的关注，风能则是可再生清洁能源中的典型代表。全球蕴含有十分丰富的风力资源，取之不尽用之不竭且对环境不会造成污染，因而各国都对风力发电技术展开了大量研究并取得了很多的成果。其中，变速恒频双馈风力发电技术只需采用较小容量的变换器，在输入风速变化情况下能够维持输出的恒定，实现有功功率和无功功率可以实现独立解耦控制，有利于维持电网稳定并能提高电能质量，是目前大功率风力发电机组的主流技术和研究热点。本文以双馈风力发电机为主要研究对象，介绍了双馈电机的基本结构特点及其运行原理，详细推导分析了下和dq坐标系下双馈发电机的动态模型，在此基础上，采用了基于定子磁链定向的矢量控制方案对转子侧变换器的控制方案进行设计，将滞环电流PWM控制技术引入其中，建立了转子电流与功率之间的控制关系。采用转速与无功功率双闭环的控制结构，较好的实现了有功功率和无功功率的解耦控制。网侧变换器的控制方案采用了SVPWM控制技术，通过电压电流双闭环的控制结构，能够维持直流侧母线电压恒定以及保持单位功率因数运行。在PSCAD/EMTDC电力仿真软件中搭建了双馈风力发电系统模型以及控制部分模型，仿真运行结果表明，双馈风力发电系统能够较好地追踪风能，实现最大功率输出，有功功率和无功功率能够实现独立调节，实现了解耦控制，网侧变换器能够较好地维持直流侧母线电压的恒定，从而验证了所搭建模型是正确的，所采取的控制策略是有效的。最后介绍了低电压穿越的概念以及电网正常运行对风电机组低电压穿越能力提出的要求。介绍了实现低电压穿越的两大类技术，通过分析比较指出，在电网电压大幅跌落情况下，仅仅改进控制策略对实现低电压穿越不能起到应有的作用，硬件保护电路是必须增加的。介绍了目前普遍采用的转子侧增设Crowbar保护电路的方案以及Crowbar保护电路的概念和分类。在PSCAD中搭建了主动式Crowbar保护电路，通过仿真结果证明在电网电压大幅跌落的情况下投入Crowbar保护电路能够增强双馈电机的低电压穿越能力。关键词：风力发电；双馈电机；变速恒频；PSCAD/EMTDC；低电压穿越AbstractAs the increasing depletion of conventional energy sources and energy environmental benefits become more prominent, renewable clean energy gets more and more attentions, and wind energy is a typical representative of renewable clean energy. Global containing plenty of wind resources, which is inexhaustible and wont cause any pollution, so many countries has studied a lot on wind power technology and made many achievements. Among those technologies, the VSCF doubly-fed wind power generation technology, whose converter capacity is much smaller, is currently the mainstream used in high-power wind turbine technology and research. It can maintain the output constant in the case of variable input wind. The active and reactive power can be achieved independent decoupling control. Its also conducive to the maintenance of the grid stable and can improve power quality.The doubly-fed wind generator is the main object of study in this paper. The basic structural features of the doubly-fed machine and its operating principle is introduced. The detail dynamic mathematical model in both three-phase stationary coordinate and two-phase synchronous rotating coordinate system is derived. The rotor side converter control scheme is designed based on the stator flux oriented vector control scheme. The hysteresis current PWM control technology is used and the control relationship between rotor current and output power is established. Speed and reactive power closed-loop control structure is used to achieve a better decoupling control of active power and reactive power. The line-side converter control scheme is based on SVPWM control technology with voltage and current double closed loop control structure, which can help to maintain the DC side of the bus voltage constant and to maintain unity power factor operation. Doubly-fed wind power generation system model and the control model are set up in the electric power simulation software PSCAD / EMTDC. The simulation results show that the doubly-fed wind power generation system can track the wind and achieve maximum power output, and active power and reactive power can be adjusted independently to achieve a decoupling control. The line-side converter is better able to maintain the DC side of the bus voltage constant. The result proves that the model is correct and the control strategy adopted is effective.Finally, the concept of grid of low voltage ride through and the request for the low voltage ride through capability of wind turbine is described. Two major categories of low voltage ride through technology are introduced. By analyzing and comparing, only to improve the control strategy cannot get the expected result in the case of power grid voltage drop sharply. The hardware protection circuit must be added under this circumstance. The rotor side additional crowbar protection circuit program and crowbar protection circuit are introduced. Active Crowbar protection circuitry is built in PSCAD and the simulation results prove that Crowbar protection circuit can enhance the low voltage ride through capability of doubly-fed machine during the sharp fall of the grid voltage.Keywords: wind power; doubly-fed machine; VSCF; PSCAD / EMTDC; low voltage ride throughIII目录摘要IAbstractII1绪论11.1选题背景11.1.1能源危机与新能源发展11.1.2国内外风力发电研究现状21.2风力发电技术简介31.2.1风力机的分类41.2.2风机功率调节及控制方式41.2.3发电机的控制方式61.3本文主要工作82双馈风力发电系统的运行理论102.1双馈感应电机主要特点及基本结构112.1.1双馈感应发电机的主要特点112.1.2双馈风力发电系统基本结构112.2双馈风力发电系统基本原理122.3双馈风力发电机等效电路132.4双馈风力发电机功率流动分析143变速恒频双馈风力发电系统数学模型及控制策略163.1风速模型163.2风力机空气动力学模型173.3双馈风力发电机动态数学模型193.3.1三相静止坐标系下的数学模型193.3.2坐标变换213.3.3电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型223.4PWM变频器模型233.5双馈风力发电机转子侧滞环矢量控制253.5.1双馈风力发电机功率控制策略253.5.2双馈风力发电机转子侧变换器滞环控制273.6网侧电压源变换器矢量控制273.7最大风能追踪控制304基于PSCAD的变速恒频风电系统仿真324.1风速仿真324.2PSCAD中的主要模型344.3变换器矢量控制仿真模型354.3.1转子侧滞环矢量控制策略模型354.3.2网侧变换器矢量控制策模型384.4变速恒频双馈风力发电系统仿真394.4.1有功无功解耦控制仿真394.4.2网侧变换器控制仿真444.4.3计及电网故障的仿真455双馈风电机组的低电压穿越特性475.1实现低电压穿越的方法485.1.1改进控制策略的实现方法485.1.2增加硬件控制电路的实现方案495.2基于Crowbar保护的双馈风机LVRT仿真505.2.1Crowbar的控制原理505.2.2双馈机组的LVRT仿真结果分析526结论55参考文献571 绪论1.1 选题背景1.1.1 能源危机与新能源发展现代社会的发展与能源的供应之间是息息相关的，在现代社会中电力是能源供应最主要也是最重要的供应方式，因此，现代社会的电力能源的供应与消耗情况在很大程度上能够反映出这个社会的发展程度。在现代社会中，工业及民用用电量随着社会发展飞速增加，使得人类对化石类燃料也愈来愈依赖，地球的生态环境因此也收到了极大的伤害和破坏。当今人类要生存和发展，就必须要解决能源环境这一紧迫问题。能源利用技术的每一次重大突破，都曾引起生产力的巨大发展，促进人类文明水平的提高，促进社会向前发展。为了增加能源供应能力以满足日益增长的能源需求，大规模能源基础设施建设的开展是迫在眉睫的。但由于资源和环境条件的严重制约，世界能源供应形势面临严峻挑战。常规能源的大量开发和应用，会给世界环境带来沉重的负担。全球气候变暖、油价上涨以及能源安全等问题均引起了国际社会的强烈关注，推动了世界各国对节能减排、可再生能源的研究1。风能取之不尽，用之不竭，是人类能源结构的转变中一个非常重要的部分。各国都比较重视风力发电技术，因为它在各类新能源中具有巨大的优越性，拥有相对成熟的技术的同时成本也较低，符合大规模商业开发条件，经过不断的发展已经成为一个较成熟的产业，相比其他新能源，风电也是中国发展低碳经济的优质选择2。我国能源发展战略需要着眼于能源的可持续发展。中国三北(西北、华北、东北)地区及东南沿海地区蕴含着十分丰富的风力资源，同时，能源短缺以及环境污染等问题在这些地区也十分普遍的存在着,因此，在我国新能源开发的过程中，风力发电技术占据着十分重要的地位，它能够显著改善我国的能源结构和环境效益，因此对他的研究是很有应用价值的3。在世界范围内的新能源研究应用中，风能的利用占据了相当重要的比例，这与其自身的优势是密不可分的。相对于其他能源来说，风力资源主要有以下几个方面的优点5：1)常规的化石燃料如煤、石油等会产生温室效应并对环境有一定的影响，而风能是一种清洁能源，使用风能不会产生二氧化碳等温室气体，也不会像使用核能一样具有潜在的风险性。 2)风力发电场具有较短的建设周期并且可以灵活选择装机容量，相对于火电、水电、核电站长达数年的建设周期来说，风电场半年到一年的建设周期十分具有优势。3)目前风力发电技术日趋成熟，使得风力发电的成本不断下降，从而使风力发电的规模化应用具备了良好的条件，风力发电的经济性也越来越明显。4)在目前主流的新能源应用当中，风力发电机占据了主导地位，单机容量为兆瓦的风电机组已经出现在商业化成品中，故障率也大大减少，目前在%以内。兆瓦级的风电机组的安装投运将是未来风电场发展的主流趋势，风力发电是一种安全可靠的新能源利用方式。5) 风力发电机结构紧奏，分散安装，只需要占用很少的土地资源，建筑面积大概为整个风电场的左右，剩余的大量土地资源仍可以用于其他方面。1.1.2 国内外风力发电研究现状从人类利用风能到蒸汽机发明以前，已有数千年的历史，风能作为重要的动力来源参与到人类的各个活动中，例如浇水灌溉、提水磨面、饮用等等。根据史料记载，阿富汗的人们最早于公元年就开始利用垂直轴风车研磨谷类。19世纪末人类就开始利用风能发电了7。1973年以来爆发了三次石油危机，对全球经济造成了严重的冲击，也间接导致了世界能源市场长远的结构性变化。为了应对随时可能来临的能源危机，西方发达国家将目光聚焦风能发电的技术中，数十年间投入了巨大的人力物力，试图寻求替代化石燃料。这也导致了利用风能的热潮，风能也被誉为“绿色能源”，成为世界上发展速度最快的能源。世界风力发电从年以来得到了迅速的发展，风力发电累计装机容量以平均每年超过%的增长率飞速发展。风力发电的增长速度比以往的任何一种电力增长的速度都要高出许多，年世界新增加的装机容量达到了兆瓦，截止到年底，世界风力发电装机总容量达到了兆瓦9。当前大型化大容量风电机组的应用是并网型风机的总体发展趋势，单机容量为兆瓦级别的风机已经成为主导产品，已投入生产的风机中已经出现了的单机容量，同时正在进一步研发更大容量的机组。今后风力发电年增长率据相关预测计算均在%以上，年全世界风电装机总容量预计将达GW，世界电能总需求量的%将是由风力发电提供的。随着风电技术的发展，欧美一些国家的风电穿透功率已非常高，中国风电技术的研究和应用也进入了一个崭新的阶段。我国拥有十分丰富的风能资源，其中陆地上风能储量约为亿千瓦（按照陆地上离地10m高度资料计算），主要分布在“三北”(西北、华北和东北)地区；海上约有亿千瓦可开发和利用的风能，主要分布在东南沿海、辽宁沿海及其岛屿，总共约有十亿千瓦风能储量可供开发利用6。2005年中国可再生能源法颁布后，各地及各投资方开发建设风电的积极性空前高涨。中国风能协会(CWEA)在今年三月公布了2011年中国风电装机容量统计，从这份统计报告中可以知道，2011年中国大陆地区共增加了11409台新装风电机组，新增装机容量为17630.9兆瓦，累计安装风电机组45894台，累积装机容量为兆瓦，年增长率高达%10。图 11是20012011年我国历年新增和累积风电装机容量趋势图，数据来源于中国风能协会(CWEA)。图 11 2001-2011中国历年新增及累计风电装机容量1.2 风力发电技术简介风经过风力机时会带动风机叶片旋转，通过增速机提高叶片的旋转速度来带动发电机发电，这就是风力发电的基本原理。风电机组有多种不同的分类方式，例如可以按照运行方式的不同、控制方式的不同以及拓扑结构的不同进来进行分类，例如恒速风机与变速风机是根据风机运行时转速范围不同来划分的；定桨距、变桨距风电机组是根据风电机组叶片所采用的不同控制方式来区分的；而采用不同发电机类型的风电机组可以分为三类：一是不包含电力电子变频器的普通异步发电机，二是采用了部分功率电力电子变频器的双馈感应发电机，三是采用了全功率电力电子变频器的多极同步电机的风电机组7。1.2.1 风力机的分类尽管风力发电机具有多种多样的类型，但其主要部件是风轮，在风力作用下风轮旋转并将风能转变为机械能，因此，大体上可将风力机分为两大类：一类是水平轴风力发电机，另一类是垂直轴风力发电机，这是根据风轮的结构的差别及其在气流中的位置的不同来区分的11。1) 水平轴风力发电机水平轴风力发电机的平行于来风向，风轮的在工作时垂直于来风方向。水平轴风力发电机根据旋转速度的不方同分为升力型和阻力型两类前者具有较快的旋转速度，后者旋转速度相对较慢。风力发电系统中采用的较为广泛的机型是升力型水平轴风力发电机。由于装设了对风装置，风向改变时水平轴风力发电机大多随之转动。在小型风力发电机当中通常使用尾舵作为这种对风装置，而在大型的风力发电机中，对风装置则是通过由风向传感元件和伺服电机组成的传动机构组成的12。根据风力机风轮与塔架的相对位置可以将其分为两类，风轮在塔架前面的为上风向风力机，相对应的，风轮在塔架后面的是下风向风机。水平轴风力发电机具有多种不同的样式，有的具有反转叶片的风轮，有的将多个风轮安装在一个塔架上，当输出功率一定的情况下塔架的成本可以降低，风轮周围产生漩涡的水平轴风机还可以集中气流，增加气流速度13。2) 垂直轴风力发电机水平轴风力发电机的对风方向需要随着风向的改变而调整，而垂直轴风力发电机却不需要，因为它的风轮的旋转轴和气流或地面之间是相互垂直的。垂直轴风力发电机的这一特点在简化结构设计要求的同时也使得因风轮对风造成的陀螺力大大减少。基于阻力旋转原理的垂直轴风力发电机有几种类型，最具代表性的是利用平板和被子做成风轮的S型风车。此类装置启动力矩较大，但是尖速比不高。在考虑实际使用条件一定（如成本、尺寸、重量等）的条件下，输出功率较低垂直轴风力发电机的诸多缺点（如空气动力效能不高，转动轴重量超出合理范围等）导致其退出了商业风力发电机的主流设计。1.2.2 风机功率调节及控制方式风力机对整个风力发电系统的性能和效率有着至关重要的影响，属于风力发电系统当中比较核心的一大部分。在实际运行过程中，系统的性能要受到发电机组的额定机械强度和发电机的额定功率等因素的限制，当风速大于额定转速后，风力机吸收的功率必须通过一定的手段加以限制，根据以上要求产生了三种功率调节方式14：1)定桨距失速调节技术风力机利用风轮来捕获风能并将其转换为机械转矩作用于轮毂之上。定桨距是指桨叶与轮毂之间是是固定连接的，桨叶的迎风角度是一个定值，无法跟随风速的变化而改变。失速是指当风速超出额定风速的情况下，桨叶的表面会产生气流涡流从而降低效率产生失速，进而使得发电机的输出功率得到限制。在这种调节方式下，桨叶和轮毂刚性连接，同时保持桨距角度不变。当风速增大时，功角增大，分离区形成大的涡流，减少上了下翼面所产生的压力差，阻力增加的同时升力较少，桨叶失速，对功率的增加起到了限制作用。为了对大风时风机输出功率的增加进行限制，只需调整叶片迎风面和纵向旋转轴之间的夹角使叶片的阻力和受力发生变化，从而使输出功率得以保持恒定。这种技术在控制结构简单的同时还具有较高的安全系数。桨叶本身就能完成失速调节，简单可靠，这是定桨距失速调节型风机的优点。当输出功率因风速变化而改变时，不需要控制系统的参与，只通过桨叶被动失速调节就能调节输出功率，大大简化了控制系统。在风电发展的初期阶段，由于这种风力机具有简单的结构和较低的成本再加上维护起来比较方便，在市场中一直占有很大的比重。然而当风速较低时这种风机效率低下的缺点就十分明显。气流速度在全风速运行时是不断变化的，风速变化的同时风力机转速必须及时跟随其变化而改变，否则就只能得到很低的运行效率，但此时可以将风力机功率调高的话也是不可取的，因为这将导致桨叶过早进入失速运行状态15。另一方面，由于其叶片有着十分独特的结构从而使加剧了整体结构的复杂化程度，对机组成的成型工艺提出了很高的要求，生产制造的困难大大增加。同时风机的叶片会随着机组额定功率的提高而变长，这就使得作用于叶片上的气流推动力增大，相当于弱化了叶片的刚性程度，这对机械强度来说是一个严峻的考验，因此一般大功率机组很少采用这种机组。目前新型风力发电机组的性价比不断降低，再加上各国出台了新的电网导则，使得风电市场中很少在看到这类风机的身影。2) 变桨距调节技术所谓变桨距是指，安装在轮毂上的叶片是可以被控制的，根据系统的需要能够通过控制系统能够对其桨距角的大小做出适当的调节。采用变桨距调节技术的风机，桨叶角度随风速变化而变化，在保证输出功率稳定的同时还大大提高了风能转换效率。在输出功率达到额定功率之前，风机的桨距角一直保持在零度的位置不变，类似于一台定桨距风机；发电机输出的功率一旦达到额定值，闭环控制系统会根据稳定输出功率在额定值这一控制目标及时对桨距角作出调整以应对输出功率的变化。风速高于额定值时，由于桨叶失速，一部分过剩功率将会通过定桨矩风机分流；然而当风速过高的情况下，分流出去的功率也会相应地增多，这使得风力机的输出功率会降低到额定值以下。变桨矩风机一般采用PI控制器作为控制系统来调节桨叶的迎风角度，当机械转矩比参考值小时减小桨距角，反之则增大桨距角，在风速超过额定值是通过这种调节能够使风力机的输出功率保持在额定值附近，因而使风能的利用效率得到提高16。变桨距型风力发电机对转速、功率和桨距角都能控制调节，风能吸收利用效率较高，在较高风速下也能保证输出功率的平稳，极大的改善了风力机的启动性能和功率输出特性，并且塔架、叶片和基础收到的冲击小得多，缺点是结构比较复杂，一套较复杂的变桨距角调节机构是必不可少的，为了减轻由于风的波动引起的功率脉动，风力机的变桨距角调节系统必须对阵风的变化要有足够的灵敏度，故障率相对较高。3) 主动失速型调节技术定桨距失速调节技术与变桨距调节技术都有各自的优缺点，如果将这两种技术相结合，桨叶本身采用失速调节，调节系统则采用变桨距调节，就构成了主动失速型技术的风电机，它可以充分利用被动失速和桨距调节的优点，风速较低的情况下，通过桨距调节使得风力机整体输出功率最优化桨叶节距被调整到与最大功率相对应的位置点上；风力机输出功率超过额定功率时，需要将功率限制在额定值之下，此时将桨叶节距调整为失速方向，从而限制了输出的最大功率不超过额定值，在这种情况下只需要将桨叶维持在失速状态下并加以微调，就能应对风速的变化17。主动失速调节型风电组采用了变桨距结构对叶片进行设计，其优点是不仅保留了定桨距失速型风机的优点，还能进行变桨距调节。其调节方法可以概括为：发电机起动过程中桨距调节系统负责对发电机的转速进行调节，减小其与同步转速之间的偏差，之后在最优时刻平稳的并入电网；风速未达到额定值之前，根据风速变化情况来调整发电机的反力矩使其相应的做出改变从而使叶尖速比能够处于最佳值以捕获最大风能；风速超过额定值之后，变桨距与变速两种调节方式均投入使用，前者能够对风力机捕获的风能加以限制从而保证系统具有较好的动态性能以及平稳的功率输出，后者在风速变化较快的情况下能够保证传动系统具有足够的柔性，降低桨距调节系统的动作次数。具有良好的调节性的主动失速调节方式在目前受到普遍的欢迎，是未来风力发电技术的主流方向。目前来说，除了一些中型机组仍在使用定桨距失速型调节技术之外，一般大功率机组都采用了变桨距调节技术。1.2.3 发电机的控制方式在风力发电系统中，发电机是机械能与电能之间转换的核心部件，发电机及其控制系统是风力发电机组不可或缺的组成部分。风电系统整体的性能优劣以及对电网输送点的的质量与发电机运行状况和所采取控制技术的性能是息息相关的。风力发电技术可以根据不同的发电机运行特征划分为两种：恒速恒频 (Constant Speed Constant Frequeney，简称CSCF)技术和变速恒频(Variable Speed Constant Frequeney，简称VSCF)技术。1) 恒速恒频技术在风力发电系统中，风电的频率必须等于电网的频率，否则不允许风力发电机组接入电网。恒速恒频即在风力发电过程中发电机的转速和发出电能的恒频都能保持恒定不变18。采用恒速恒频技术的风电机组具有简单的结构和控制系统以及可靠的技术性能，是上世纪八九十年代的热门技术，定桨距失速调节或主动失速调节是其主要的调节方式，许多中小型风电机组都采用了这种技术。恒速恒频发电系统的耦合系统是刚性的，当风速发生突然变化时，为了维持机械转速的恒定，巨大的机械应力和摩擦力会作用于风机的叶片之上，使得部件的疲劳程度增加，使用寿命也大大下降。2) 变速恒频技术是上个世纪七十年代一种新型发电方式逐渐发展起来，它在发电机控制之中引进了矢量变换控制技术、电力电子技术、微机信息处理技术，这就是变速恒频风力发电技术，该技术能够获取高质量电能，是目前国内外最优化的风力发电技术方案。在变速恒频技术中，风速变化时风轮转速，也就是发电机转速也会随之做出相应的改变，风轮和发电机转速能够在较大范围内变化，但输出的电能频率通过电力电子控制技术能够保持恒定，这样，可调节风力机保持在最佳尖速比，从而使风能利用率最高，这是这种类型风电机组的运行特点和优势19。目前，容量大型化、变桨距调节和变速恒频控制技术是风电机组的总体发展趋势，采用变速恒频技术有以下一些优点：a) 在风速变化的情况下，按照捕获最大风能的要求，采用变速恒频发电方式能够使风轮机的转速实时可调，风力机能够以最佳叶尖速比在最大功率点上运行，从而实现最大风能的捕获，风力机的运行效率得到了很大的提高。变速恒频系统理论上能够比恒速恒频风电系统提高二十个百分点的发电量。b)风速上升时，将阵风的能量吸收并转化为机械能存储于风机的机械惯性力当中，风速下降时吧存储的能量转化为电能释放给电网，从而减少了阵风对风机的冲击产生的机械应力，使风机与电网之间柔性连接，风机的使用寿命得以延长。c) 变速恒频发电系统励磁调节系统采用了矢量控制技术，发电机输出的有功、无功功率之间能够接触耦合关系，实现独立控制。风机转速能够通过有功功率的调节来改变从而追踪最大风能；发电机的功率因数可以通过无功功率来调节，确保了风电机组和电力系统能够稳定运行。变速运行不需要较快的桨距控制响应速度，风速较低时通常将桨距角设为定值，而风速较高的情况下控制系统对桨距角作出调整以对输出的功率加以限制。目前，根据使用的发电机组不同(双馈异步发电机或永磁同步发电机)可以将大型机组变速恒频方案分为两大类。变速恒频双馈风力发电系统中，齿轮箱是双馈发电机的转子和风力机的连接部件，定子电网之间直接相连接，转子的三相励磁绕组与电网之间通过变频器相连接。当转子三相励磁绕组通入转差频率的交流励磁电流时，产生的磁场就会相对转子旋转，这个磁场的旋转速度叠加到转子本身的机械转速之上就等效于同步旋转速度，因而在气隙中产生了一个以同步转速旋转的磁场，进而由电磁感应定律，定子侧就会出现同频率的感应电动势。从定子侧这和以同步转速旋转的同步发电机转子所形成的同步旋转磁场是异曲同工的。双馈电机变速恒频系统的控制主要集中在转子电路，转子回路中流通的功率仅仅是系统的转差功率，而转差功率一般不超过额定功率的百分之三十，同时还能够双向流动。因此，连接转子绕组与电网的变频器的额定功率也仅为系统额定功率的一小部分，变频器的重量、体积和成本都能大大降低。采用双馈电机变速恒频系统可以将机电系统之间原本的刚性连接转化为柔性连接，发电机输出频率的将不会再限制原动机转速，转子转速不会影响到发电机输出电压电流的幅值、频率和相位。所以，双馈电机变速恒频系统是目前国内外大型风力发电系统中应用较多的方案，也是本文的主要研究对象。1.3 本文主要工作风力发电在目前能源结构中的重要性越来越明显，由于变速恒频发电系统相对于其他系统来说具有十分明显的优势，双馈式变速恒频风力发电技术已经成为当前世界范围内风力发电的优选技术，我国新建设的风电场大多也都采用了这种风力发电技术。在当今世界风力发电技术中，变速恒频风力发电技术是主导趋势，国内外还在对其进行进一步的研究，以使其技术更加成熟，因而研究大型风力发电机组的变速恒频技术具有很大的实际意义。然而我国目前在这项技术方面还处于开发阶段，在大功率变速恒频风力发电机组这一方面的自主研发和创新能力还需要进一步加强。许多大功率机组仍然是主要依靠引进国外的技术，目前仍需要引进、消化、吸收国外先进技术并加大自主创新力度。综合以上的技术介绍和分析，本文选取了变速恒频双馈风力发电系统作为主要的研究对象，需要在详细分析该系统的工作原理和相关数学模型的基础上对其控制策略进行深入的研究，并采用计算机软件进行相关的仿真验证。本文主要根据以下几个方面展开研究工作：1)从大量阅读国内外相关文献开始入手，对风力发电的历史和相关技术和原理有一个整体的认知，为后续研究打下理论基础。在对双馈电机的主要特点和基本结构做出研究之后对双馈风力发电系统的基本运行原理做出了介绍，双馈风力发电机的等效电路图以及运行过程中的功率流动关系进行了详细的分析。2)为了对整个双馈风力发电系统进行深入研究，建立分析了自然风速的数学模型以及风力机的空气动力学模型，分析了风力机输出功率与风能利用系数之间的关系，为后文实现最大风能追踪以及整个系统的仿真打下理论基础。3)根据双馈电机的结构和工作原理，推导分析了双馈电机在abc三相静止坐标系下电压、磁链、功率、电磁转矩等关键量的数学模型。为了后续便于分析以及控制方案的建立，使用坐标变换将三相静止abc坐标系下的数学模型转换为到两相同步旋转dq坐标系下经过一定简化的数学模型，转换之后的数学模型更有于对转子侧变换器控制方案进行设计。该控制方案的设计思路是采用基于定子磁链定向的矢量控制策略，通过转速和无功功率双闭环的控制结构得到转子侧电流的控制参考值，然后采用电流跟踪滞环PWM控制方案对转子侧变换器进行控制，进而实现风力机风能追踪以及消除有功、无功功率之间的耦合关系实现的独立控制。4)对网侧变换器的结构和工作原理进行了分析并建立起数学模型，采用了基于定子电压定向的矢量控制技术设计网侧变换器的控制策略，通过电压电流双闭环的结构得到网侧变换器的控制信号，以达到是直流母线的电压保持稳定的目的并能够在单位功率因数下运行。5)对整个双馈风力发电系统进行建模方面选用了电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC，建立了包括风速模型、风力机动力模型、双馈电机模型、PWM变换器模型以及控制策略模型等，通过仿真运行结果验证双馈风力发电系统模型的正确性以及所采用控制策略的有效性。6)介绍了低电压穿越的基本概念以及为保持电网正常运行对风电机组低电压穿越能力提出的要求。分析了低电压穿越的实现方法，采用了在转子侧增加Crowbar保护电路的方案对双馈电机的低电压穿越能力进行一定的改善，并在PSCAD中建立相应模型，通过仿真分析验证DFIG的低电压穿越能力。2 双馈风力发电系统的运行理论近些年来，双馈型异步电机(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)近年来随着电力电子技术和控制技术的发展在风能发电中的得到了越来越广的应用，所谓双馈是指发电机的定转子均参与了励磁过程。这种技术的核心是对励磁系统进行改进，采取适当的控制手段和控制策略对励磁电流加以控制从而得到恒定频率的输出电能。双馈式风力发电机相对于同步发电机来说具有很多独特的优越性，后者的励磁电流只有幅值可以调节，所以只能调节无功功率这一个量，而DFIG不仅能够调节励磁电流的幅值，还可以调节频率和相位，因此具有更加灵活的控制手段。根据电机学的知识，可以将一个脉振磁势分解成两个旋转磁势，其旋转方向相反，通过适当的放置三相绕组的位置能够将其中一个磁势的效果消去，这样一来相当于同步发电机中带有直流励磁的转子在空间产生一个旋转的磁势。双馈发电机的一大优点就是它的交流励磁频率能够进行调节，进而能够调节旋转磁动势，只需要对励磁电流频率进行适当的调节，就能在原动机转速变化的情况下保证输出电能的频率是恒定的。为了让系统实现变速恒频运行，只需要调节转子励磁电流的频率即可；调节励磁电流的相位就可以实现发电机的有功功率的调节，励磁电流相位的改变会使转子磁场在气隙中产生一个位移，发电机的功角也就因此发生了改变；当发电机吸收无功功率时，随着功角的增大，运行的稳定性会逐渐降低。为了提高系统运行的稳定性需要减小发电机的功角，这时通过调节励磁电流的相位就可以实现。输出的有功功率和无功功率之间随着新的控制技术的引进能够实现独立解耦控制，因此，DFIG在功率调节方面具有很强的灵活性，对提高系统的稳定性有很大帮助。变速恒频双馈风力发电系统于上个世纪七零年代中期以后才逐渐发展起来，这是一种新型的风力发电系统，风力机可以变速运行是它的主要优点，在很大的风速变化范围内能够将叶尖速比保持在最佳点的位置，相对于恒速风力机来说，变速风机能够从风中捕获更多的能量，可以实现最大风能追踪，因而风力机的运行效率也要高出许多。除了上述优点外，这种风力机还具有优良的结构和实用性。与恒速恒频风力发电系统相比，变速恒频双馈风力发电系统由于使用了电力电子技术来实现变速运行，因而风电转换装置的电气部分相应的较为复杂昂贵，但在中小型风力发电机组的总成本中这类成本只占据了一小部分，因此中、小型变速恒频风电机组是目前国内外重点研发的对象。它具有和绕线式异步电动机相同的结构，在吸收无功功率的同时也能发出无功，能够调节系统无功功率和电压，可以变速运行并具有较高的能量转化效率，而且输出电压和频率在转速变化时能够维持不变20。通过调节转子电流的大小、频率和相位就可以调节输出的无功功率、频率和有功功率。随着电力电子技术的发展，电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也逐步增强，这使得双馈机的单机容量得以提高。目前双馈感应发电机的一部分理论还在进一步研究与完善当中，但不可否认的是它是未来风力发电的主流技术趋势，将会得到愈来愈广泛的应用。2.1 双馈感应电机主要特点及基本结构2.1.1 双馈感应发电机的主要特点由于双馈式感应发电机相对于传统感应发电机和同步发电机来说在励磁控制方面更加灵活和自由，因而运行性能更加优良，主要由以下几个方面的优点21：1)能够在风速变化时较好的调节转速实现变速恒频运行。结构紧奏的发电机不需要占用大量空间，给安装和维护带来了便利。变换器容量仅是电机额定容量的一小部分，因此只需要选用成本较低的小型变流器装置。2)具有有功和无功功率的独立调节能力。采用适当的矢量控制策略，对励磁电流幅值和相位进行调节就能分别对发出的无功功率和有功功率进行调控，实现独立解耦控制。3)原动机能够在一定范围内实现变速运行，调整装置得到了简化，调速时的机械应力也相应的减少了。同时机组具有更加灵活方便的控制手段，机组运行效率得到了较大的提高。正因为如此，双馈式变速恒频发电技术已经发展成为了当今风力发电的主流技术。2.1.2 双馈风力发电系统基本结构双馈变速恒频风力发电机定转子上都具有三相对称绕组，类似于绕线式感应电机的结构，气隙分布均匀切具有多撑的磁路和电路，而两者的区别在于转子绕组增加了电刷和滑环。当采用交流励磁时，励磁频率影响着转子转速，因此双馈发电机内部的电磁关系同时具有感应发电机和同步发电机的一些特点，但与这两者之间又存在着不同之处22。与系统相连的双馈风力发电机示意图如图 21所示。图 21双馈风力发电机系统示意图由示意图可以看出，在双馈风力发电系统中，发电机的定子与电网侧直接相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交-直-交变流器与电网侧相连接，进而给发电机提供幅值、相位、频率均可调的交流励磁电流，其励磁频率与转差频率相同。其中交-直-交变流器由两组电压源PWM变换器组成，能够实现四象限运行，一般情况下，转子侧变流器的主要任务是为转子回路提供励磁电流，通过对有功功率调节来实现最大风能捕获，同时调节定子无功功率；电网侧变流器的主要任务是维持直流母线电压的稳定并保证电流波形和功率因数满足运行要求23。2.2 双馈风力发电系统基本原理双馈发电机具有与绕线式异步感应电机相类似的结构，定子绕组与电网直接连接，转子绕组与电网之间通过双电压源变换器相连接，三相转子励磁电流由电网经过PWM变换器提供，其频率、电压可调24。转子的机械速度nr、转子磁场的旋转速度ns与定子的同步转速n0之间存在如下关系： 转子的旋转磁场是由通入的三相低频电流产生的，其转速与转子本身机械转速相叠加，从而能在定子绕组中感应出同步转速的工频电压。转速nr会随着风速的变化而相应的改变。在nr变化的同时需要通过补偿电机转速的变化来保证输出功率的恒定，这可以通过相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度ns来实现。双电压源变换器是与转子与电网之间的连接部件，是由电力电子电源变换装置构成的，一般要求输出频率低于输入频率的1/3，变换器容量为发电机额定功率的以下，从而能够得到较好的输出电压和电流波形25。与式相对应的有：上式中，为定子角速度，为转子机械，为转子旋转，也就是转差角速度，取正值表明电机运行于次同步状态，反之则运行于超同步状态。定子旋转磁场在空间的旋转角速度是时，转子旋转磁场相对于转子的旋转速度如下：其中s是机的转差率。一般情况下转差率的定义为：转子的转差角速度正比于转差率s，交流励磁发电机的转子转速比同步转速低时，转子旋转磁场按照转子旋转的方向进行旋转，反之则两者旋转方向相反。由可知：其中，为转子电流的频率，为定子电流的。2.3 双馈风力发电机等效电路由上一节分析可知，双馈型风力发电机转子电流所产生的基波旋转磁势F2相对于转子以转差角速度旋转，相对于定子以同步速旋转。该磁势跟定子基波磁势F1相对静止， Fm。由可知，该合成磁势在气隙中m将在定、转子绕组中出和，与感应电机类似，当转子侧各物理量侧时，可以得到折算后的基本方程式：其中，、分别是定子绕组中的、电电抗，、分别是转子侧绕组、电流、电阻和电定子后的归算值，、分别是励磁绕组的、励磁和励磁电抗值，、分别是定子电压、转子侧的电压和电机的转差率。由此可以画出相应的变速恒频双馈风力发电机等值电路，如图 22所示：图 22变速恒频双馈风力发电机等值电路2.4 双馈风力发电机功率流动分析双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，因而双馈式感应电机的功率关系可以分为内部和外部两大部分